Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Немного теории ветродвигателя

Секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т. е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 23 = 2x2x2 = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также про­порционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличива­ется в 4 раза (http://www. freeenergyengines. ru/).

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энер­гии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

♦ что скорость потока за ветроколесом не может быть равна нулю;

♦ что наилучший режим работы ветродвигателя будет в том слу­чае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составля­ет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ве­троколесо.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой % (кси).

Величина коэффициента использования энергии ветра %, прежде всего, зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, % = от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42—46% энер­гии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей значения % могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигате­лей равно 0,593.

Определение.

Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распро­странение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Примечание.

Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроход­ными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более лег­кие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высо­кий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроко­лес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характе­ристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости coxR конца лопасти к скорости V ветра, набегающего на ветроколесо.

Примечание.

Нарис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энер­гии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроход­ности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный %.

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроко­лесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воз­душного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветро­
колеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамиче­ские профили, а углы заклинення делают переменными вдоль лопа­сти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветрокблеса.

Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.

Определение.

Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ветро­колеса, называется углом заклинения и обозначается буквой <р. Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обозна­чаются буквой а и называются углами атаки.

Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость coxR, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей V и coxR. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.

Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами а. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинення ф делать переменными по длине лопасти.

Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.

Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента М на угловую скорость со.

Примечание.

Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрас­тает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, про­изведение /Ихсо остается почти постоянным, мало зависящим от числа лопастей.

Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.

Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а послед­ний — горизонтальную.

В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей'одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тед, движение которых совпадает с направлением ветра.

Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.

Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей воз­никает за счет разности давлений на лопастях.

Ввиду малой эффективности (% у этих ветродвигателей не превы­шает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.